метода

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Кафедра вычислительной техники

Е.В. БУРЬКОВА

ЭЛЕКТРОНИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ НА ELECTRONICS WORKBENCH

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Оренбург 2008

УДК 621.38(076.5) ББК 32.85 я 73

Б 91

Рецензент кандидат физико-математических наук, доцент Е.А. Корнев

Бурькова Е.В.

Б 91 Электроника: методические указания к лабораторному практи-

куму на Electronics Workbench / Е.В. Бурькова – Оренбург, ГОУ ОГУ, 2008. – 70 с.

В методических указаниях представлены теоретические сведения о принципе действия и характеристиках различных полупроводниковых приборов и электронных устройств, применяемых в вычислительной технике. Методические указания содержат материалы для проведения лабораторного практикума по дисциплине «Электротехника и электроника» с применением программной среды Electronics Workbench.

Методические указания предназначены для студентов специальностей направления 230100 «Информатика и вычислительная техника», а также могут быть полезными для инженеров, занятых схемотехническим моделированием электронных устройств с использованием программной среды Electronics Workbench.

ББК 32.85 я 73

© Бурькова Е.В. 2008 © ГОУ ОГУ, 2008

2

Содержание

Введение……………………………………………………………………………...5 1 Лабораторная работа №1. Полупроводниковые диоды…………………………6

1.1Краткие теоретические сведения……………………………………………….6

1.2Порядок проведения экспериментов…………………………………………...9

1.3Результаты экспериментов…………………………………………………….10

1.4.Контрольные вопросы…………………………………………………………12 2 Лабораторная работа №2. Стабилитроны……………..………………………..12

2.1Краткие теоретические сведения……………………………………………...13

2.2Порядок проведения экспериментов………………………………………….14

2.3Результаты экспериментов…………………………………………………….16 2.4. Контрольные вопросы…………………………………………………………17 3 Лабораторная работа №3. Маломощные выпрямители однофазного тока…..17

3.1Краткие теоретические сведения……………………………………………...17

3.2Порядок проведения экспериментов………………………………………….21

3.3Результаты экспериментов…………………………………………………….22 3.4. Контрольные вопросы…………………………………………………………23 4 Лабораторная работа №4. Исследование биполярного транзистора………….24

4.1Краткие теоретические сведения……………………………………………...24

4.2Порядок проведения экспериментов………………………………………….27

4.3Результаты экспериментов…………………………………………………….29 4.4. Контрольные вопросы…………………………………………………………30 5 Лабораторная работа №5. Исследование работы транзисторных каскадов….31

5.1Краткие теоретические сведения……………………………………………...31

5.2Порядок проведения экспериментов………………………………………….34

5.3Результаты экспериментов…………………………………………………….37 5.4. Контрольные вопросы…………………………………………………………39 6 Лабораторная работа №6. Исследование характеристик операционного усилителя……………………………………………………………………………39

6.1Краткие теоретические сведения……………………………………………...39

6.2Порядок проведения экспериментов………………………………………….42

6.3Результаты экспериментов…………………………………………………….44 6.4. Контрольные вопросы…………………………………………………………45 7 Лабораторная работа №7. Исследование неинвертирующих и инвертирующих усилителей ……………………………………………………....45

7.1Краткие теоретические сведения……………………………………………...46

7.2Порядок проведения экспериментов………………………………………….49

7.3Результаты экспериментов…………………………………………………….50 7.4. Контрольные вопросы…………………………………………………………51 8 Лабораторная работа №8. Компараторы…………………………….………….51

8.1Краткие теоретические сведения……………………………………………...52

8.2Порядок проведения экспериментов………………………………………….55

3

8.3 Результаты экспериментов…………………………………………………….58

8.4. Контрольные вопросы…………………………………………………………59

9Лабораторная работа №9. Сумматоры на операционных усилителях………..59 9.1 Краткие теоретические сведения……………………………………………...59 9.2 Порядок проведения экспериментов………………………………………….61 9.3 Результаты экспериментов…………………………………………………….63

9.4. Контрольные вопросы…………………………………………………………63

10Лабораторная работа №10. Дифференцирующие и интегрирующие

схемы на основе ОУ………………………………………………………………..64 10.1 Краткие теоретические сведения…………………………………………….64 10.2 Порядок проведения экспериментов………………………………………...66 10.3 Результаты экспериментов…………………………………………………...68 10.4. Контрольные вопросы………………………………………………………..69 Список использованных источников……………………………………………...70

4

Введение

Разработка любого электронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требует изготовление макетов и их трудоѐмкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники. Для моделирования электронных устройств применя-

ются программы: Micro-Cap V, DesignLab, Aplac 7.0, System View 1.9, Electronics Worcbench, CircuitMarker 6.0.

Программа Electronics Worcbench (EWB) используется чаще всего благодаря простому и легко осваиваемому пользовательскому интерфейсу. Данная программа предназначена для моделирования и анализа электрических и электронных схем и предоставляет следующие возможности:

-создать принципиальную схему устройства;

-провести расчет статического режима;

-получить вольтамперные характеристики приборов и т.д.

EWB позволяет строить и анализировать любые электронные схемы, от самых простых до сложных, а так же рассчитывать статические и динамические характеристики полупроводниковых приборов таких как диоды, транзисторы, тиристоры и т.д. Особенностью программы является наличие контрольноизмерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам максимально приближенных к их промышленным аналогам, что способствует приобретению практических навыков работы с наиболее распространѐнными приборами: мультиметром, осциллографом и т.д. Окно программы EWB содержит поле меню, линейку контрольно-измерительных приборов и линейку библиотек компонентов, одна из которых показана в развернутом виде в левой части окна. В рабочем поле программы располагается моделируемая схема с подключенными к ней иконками контрольно-измерительных приборов и краткое описание схемы. Результаты моделирования могут быть представлены в виде амплитудночастотной и фазочастотной характеристик.

Применение интегрированной среды EWB дает возможность студентам моделировать электронное устройство от начального этапа (постановки задачи) до программной реализации всех возможных режимов. Результатом выполненной лабораторной работы является полностью собранная и отлаженная виртуальная аппаратно-программная модель микропроцессорной системы.

Использование интегрированных сред разработки вычислительных систем для организации учебного процесса по курсу «Электротехника и электроника» позволяет значительно повысить готовность студентов к решению прак- тико-ориентированных задач высокого уровня сложности, способствует вовлечению студентов в профессиональную деятельность.

5

1 Лабораторная работа №1. Полупроводниковые диоды

Цель работы:

1.Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении p-n перехода.

2.Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) полупроводникового диода.

3.Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике.

4.Построение вольтфарадной характеристики варикапа.

1.1 Краткие теоретические сведения

Для исследования напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении p-n перехода достаточно иметь универсальный прибор – мультиметр. С помощью этого прибора можно снять вольтамперную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника. Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме, показанной на рисунке 1.1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины.

Рисунок 1.1- Схема измерения напряжения на диоде

Ток диода при этом можно вычислить из выражения:

Iпр = (Е - Uпp)/R

(1.1)

где Iпр - ток диода в прямом направлении, Е - напряжение источника питания, Uпp - напряжение на диоде в прямом направлении. Изменив полярность включения диода в той же схеме рисунок 1.1, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении

Iоб = (Е - Uоб)/R

(1.2)

где Iоб - ток диода в обратном направлении, Uоб - напряжение на диоде в обратном направлении. Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. На ри-

6

сунке 1.2 показана схема измерения тока диода. Для получения более точной характеристики при использовании только одного мультиметра, необходимо сначала измерить напряжение в схеме на рисунке 1.1, а затем ток в схеме на рисунке 1.2. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его то как вольтметр, то как амперметр.

Рисунок 1.2- Схема измерения тока диода

Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если использовать и вольтметр, и амперметр. Тогда, включив их по схеме, показанной на рисунке 1.3, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов.

Рисунок 1.3- Схема для снятия ВАХ диода

Вольтамперная характеристика может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения напряжения источника питания Vs. Схема для исследования ВАХ диода с помощью осциллографа показана на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4- Схема для исследования ВАХ диода с помощью осциллографа

7

При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной - току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе R2 численно равно току через диод в амперах (I=U/R=U/I=U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) - по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа.

При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма напряжения диода и напряжения на резисторе R2. Ошибка из-за этого будет мала, так как падение напряжения на резисторе будет значительно меньше, чем напряжение на диоде. Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. В ряде применений на постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.

Построение вольтфарадной характеристики варикапа. Полупровод-

никовый диод, действие которого основано на использовании зависимости барьерной емкости Сбар от значения приложенного обратного напряжения называется варикапом. Это позволяет применить варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Основной характеристикой варикапа является вольтфарадная характеристика - зависимость барьерной емкости от значения приложенного обратного напряжения. Схематическое изображение варикапа и его вольтфарадная характеристика приведены на рисунке 1.5.

Cбар

С0

Uобр	0	Uпр

Рисунок 1.5 - Схематическое изображение варикапа и его вольтфарадная характеристика

8

В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости может изменяться от единиц до сотен пикофарад. Основными параметрами варикапа являются: Св – емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении; Кс – коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости Св = f (Uобр) и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (Кс = 2 - 20). Варикапы применяются в качестве конденсатора с управляемой емкостью. Их делят на построечные и умножительные, или варакторы. Подстроечные варикапы используют для изменения резонансной частоты колебательных систем.

Для получения вольтфарадной характеристики можно использовать схему емкостного делителя с диодом, показанную на рисунок 1.6.

Рисунок 1.6- Схема ѐмкостного делителя с диодом

1.2 Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Измерение напряжения и тока через диод.

Построить схему по рисунку 1.1 и включить. Мультиметр покажет напряжение на диоде Uпp при прямом смещении. Если перевернуть диод и запустить схему, то мультиметр покажет напряжение на диоде Uоб при обратном смещении. Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов". Вычислите ток диода при прямом и обратном смещении по формулам (1.1) и (1.2).

Эксперимент 2. Измерение тока.

Построить схему по рисунку 1.2 и включить. Мультиметр покажет ток диода Iпр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Мультиметр покажет ток Iоб диода при обратном смещении. Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода.

Измерьте сопротивление диода при прямом и обратном подключении, используя мультиметр в режиме омметра. Малые значения сопротивления соответствуют прямому подключению.

Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода.

а) Прямая ветвь ВАХ. Построить схему по рисунку 1.3 и включить. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0.5 В, О В запишите значения напряжения Uпp и тока Iпр диода в таблицу а) раздела "Результаты экспериментов".

9

б) Обратная ветвь ВАХ. Переверните диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными О В, 5 В, 10 В, 15 В. Запишите значения тока Iоб и напряжения Uоб в таблицу б) раздела "Результаты экспериментов".

в) По полученным данным постройте графики Iпр=F(Uпp) и Iоб=F(Uoб). г) Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при Iпр = 4 мА и

оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Проделайте ту же процедуру для Iпр = 0.4 мА и Iпр =0.2 мА. Ответы запишите в раздел "Результаты экспериментов".

д) Аналогично пункту г) оцените дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5 В и запишите экспериментальные данные в раздел "Результаты экспериментов".

е) Вычислите сопротивление диода на постоянном токе Iпр = 4 мА по формуле R= Unp/Inp, занесите результат в раздел "Результаты экспериментов".

ж) Определите напряжение изгиба. Результаты занесите в раздел "Результаты экспериментов". Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.

Эксперимент 5. Получение ВАХ на экране осциллографа.

Построить схему по рисунку 1.4 и включить. На ВАХ, появившейся на экране осциллографа по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Обратите внимание на изгиб ВАХ. Измерьте и запишите в раздел "Результаты экспериментов" величину напряжения изгиба.

Эксперимент 6. Построение характеристики варикапа.

Использовать схему емкостного делителя с диодом рисунок 1.6 (Pics 04\4- 4-3.ca4). Изменяя напряжение Uc источника смещения в схеме и измеряя мультиметром напряжение U0, с помощью формулы (1.3) найти зависимость барьерной емкости диода от напряжения Uc. Полученные значения свести в таблицу и построить график Сi = F(Uc). Ui - напряжение генератора, U0 – напряжение, снимаемое с мультиметра. б) Ознакомиться со схемой характериографа для получения ВАХ диода (Pics 04\4-7-4.ca4).

Ci = C0(Ui/U0-1)

(1.3)

Необходимо учитывать, что мультиметр измеряет эффективное значение напряжения, которое для синусоидального сигнала составляет 0,707 от амплитудного, 0,578 – для треугольного, 1 – для меандра.

1.3 Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод.

Измерьте и запишите напряжения на диоде:
Напряжение при прямом смещении	Uпр=
Напряжение при обратном смещении	Uобр=

10